基于dsp的直流电机pwm控制系统设计

基于dsp的直流电机pwm控制系统设计内容摘要：

() ()表明 直流电机 产生的转矩可以通过改变电流幅值进行控制。 式 ()、式 ()分别表明反电动势与转速成正比、转矩与电流成正比，其与恒定励磁的普通直流电动机特性在形式上是相同的。 普通直流电动机由于电刷和换向器的换向作用，使得由励磁回路产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机连续运转。 直流电机 的控制特性和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密 度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。 保 护 电 路电 路 检 测位 置 / 速 度 检 测P W M隔离驱动控 制 信 号 输 出D A R A MC Y 7 C 0 0 7通 信 接 口 8 9 C 5 1与 上 位 机 通 信人 机 接 口 键 盘 、 显 示 及 报 警P D P I N TP WM A D CC A PT M S 3 2 0 F 2 4 0 7 图 系统硬件框图 图 为 系统硬件框图 ， 整个控制系统采用以 TMS320F2407 为控制核心、辅以89C51 的双 CPU 结构，主要由 DSP 部分、数据交换部分和单片机部分等组成。 （ 1） DSP 部分的设计 邵阳学院毕业设计（论文） 14 DSP 部分的硬件设计主要是在 DSP 最小系统基础上进行以下几个方面的设计。 ① 位置 /转速检测接口设计 由于采用的转子位置传感器是霍尔集成位置 传感器，接口简便，将位置传感器的输出端经光耦隔离后，再与 TMS320F2407 的三个 CAP 单元相接。 转速检测是通过对位置传感器输出的交变信号进行软件计算而间接获得。 ② 电流检测接口设计 采用处于逆变器低电压与地之间的采样电阻进行电流检测，得到一个正比于电流的电压信号，将电压信号输出端隔离后接至 TMS320F2407 自带 A/D 转换模块。 ③ 必要的存储器扩展，保护电路、驱动电路等的设计。 TMS320F2407 具有大量的片内存储器和丰富的片内外设，充分利用 其 本身的内部硬件资源，不仅有利于简化系统设计，而且有利于 提高系统的性能、降低系统的成本。 （ 2） 数据交换部分的设计 数据交换部分通过双口 RAM CY7C007 实现 TMS320F2407 和 89C51 之间的数据交换。 双口 RAM 的数据交换方式与其他如并行通信、串行通行、 DMA 方式相比，实现简单，大大提高了 DSP 与单片机之间的并行数据处理能力，满足了系统的实时性要求。 （ 3） 单片机部分的设计 单片机部分采用 89C51 单片机，主要设计人机接口进行状态的显示和参数的设定，并提供故障报警功能。 同时，进行通信接口的设计，实现系统与上位机的数据通信功能。 以上基于双口 RAM 通信的双 CPU 结构的硬件系统解决了 DSP 和单片机之间的数据通信问题，从而将 DSP 高速的处理能力和单片机强大的接口能力结合起来，实现了 DSP和单片机资源的合理配置，为构建高性能、高可靠性的控制系统奠定了硬件基础。 直流电机的基本控制方法 图 中，给 直流电机 供电的逆变器有两个基本任务，一是电子换流，它要求逆变器在每个控制瞬间直接向电动机的相应相进行激励，以维持同步和输出最大转矩。 二是电流调节，如 ()式所表示的那样，在自同步运行中使电流幅值与输出转矩成正比。 (1) 电子换流 电子换流功能是逆变器按 六阶梯顺序导通、关断六个逆变器开关管来完成的，从而产生方形电流激励波。 在每个电周期内只有六个间断的逆变器开关动作，而在任何瞬时只有两个逆变器开关 — 上组一个，下组一个是导通的，若是星形连接，则在所有时间内，逆变器的输入电流串联流经三相电动机中的两相。 当转子每转过 600 电角度时，逆变器 邵阳学院毕业设计（论文） 15 图 直流电机主电路 开关管之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。 可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，步进角为 600 电角度。 直流电机 有 6 个磁状态，每一状态都是两相导通，每个 开关管的导通角为 1200，由于转子的气隙磁通为方波，则电枢电流为方波，电枢的感应电动势为梯形波，大小与转子磁通和转速成正比。 两相导通星形三相六状态 直流电机 的三相反电动势、电流与各开关管导通顺序的关系如图。 反电动势与电流波形间的相位移 a 通常由转子位置传感器 PS 测定，用以实现自同步，从而控制电子换流。 在低速情况下，对于给定的电流幅值 Is 使角度 α 尽可能保持接近零，这样就可使转矩以及输出功率达到最大值，相电流和反电动势波形保持同相位。 这种关系相当于普通直流电动机中的整流子电刷与静止磁场的磁通相正交。 在高速情况 下，通常希望 α 角超前，以增大驱动系统的转矩，达到扩展高速运行区的目的。 (2) 电流调节 电流调节功能是利用基本的斩波技术，通过检测直流环节电流 1，对逆变器开关管进行控制，实现电机相电流的闭环调节控制。 尽管三相定子电流都要进行调节，在直流环节只需一个电流传感器就可完成这一功能，因为被调节的总线电流几在每一瞬间都是流经两个串联工作的相绕组的。 相电流的幅值是通过控制逆变器开关管的占空比对应的导通、关断时间的相对长度来进行调节的。 为达到要求的电流调节的目的，可采用各种PWM 控制策略。 在开关变换器中广泛采用简单的“ 恒定频率”以及“恒定关断时间”的占空比控制策略。 也可采用滞环电流控制策略，由控制电路产生给定频率和幅值的电流参考信号，与实际电流检测信号相比较，其偏差经过滞环比较器，控制逆变器该相应相上下两个桥臂开关管的导通或关断，从而实现电流调节功能。 实现检测功能最常用的方法之一是在电动机气隙中或接近气隙处安装一组 (三个 )霍尔开关，用以检测路经此处的转子磁极的磁场。 有大量不同型式和结构的转子位置传感器可用于 直流电机 ，以满足各种应用。 如绝对编码器和解码器可以产生电子换流信号，+T 1T 0T 3T 2T 5T 4ABC电源D1D5D3D 2 D 4 D 6D 7D8D 9D10D 12D 11C R邵阳学院毕业设计（论文） 16 同时也可提供高分辨率的位置和速度反馈信号，这些 信号对于高性能速度和位置伺服闭环控制是必需的。 图 三相反电动势、电流与开关管导通顺序关系图 直流电动机的运行特性 [17][18] 电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械。 因此我们最关心的是它的转矩、转速，以及转矩和转速随电压、电流、负载变化而变化的规律。 据此，电动机的运行特性可分为 :起动特性、工作特性、机械特性和调速特性。 讨论各种电动机的运行特性一般都从电势公式 (即转速公式 )、电势平衡方程式、转矩公式和转矩平衡方程式出发。 对于直流电动机，其电势 平衡方程式为 : acp acpU E I r U    （ ） 式中 U — 电源电压（ V）； E — 电枢绕组反电势 (V)； acpI — 平均电枢电流 (A)； acpr — 电枢绕组的平均电阻（ Ω）； 1 2 00ΘebeceaebuΘ1 2 00iaibibici32321216565434346 00开 关 管 导 通 顺 序邵阳学院毕业设计（论文） 17 U — 功率器件的饱和管压降 (V)； 对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均可表示为： eE Kn （ ） 式中 n — 电动机转速 (r/min)； eK — 反电势系数 (V/r/min)； 由方程式 ()、 ()可知 a c p a c pE U U I rnK e K e   （ ） 在转速不变时，转矩平衡方程式为： L0T T T （ ） 式中 T — 电磁转矩 (Nm) LT — 输出转矩 (Nm) 0T — 摩擦转矩 (Nm) 这里 r acpT KI （ ） rK — 转矩系数 (Nm /A)； 在转速变动情况下，则有： L0 dwT T T J dt   （ ） 式中系数： J — 转动部分（包括电动机本体转子、传感器转子及负载）的转动惯量（ NmS2） dwdt — 转子的机械角加速度 (rad/s2)。 下面从这些基本公式出 发，来讨论电动机的各种运动特性。 （ 1）起动特性 [19] 由方程式（ ）、（ ）、（ ） 可知，电动机在启动时，由于反电势为零，因此电枢电流（即起动电流）为 In=acpUUr （ ） 其值可为正常工作电枢电流的几倍到几十倍。 所以启动电磁转矩很大，电动机可以很快启动。 并能带负载直接启动。 随着转子的加速，反电势 E增加，电磁转矩降 低，加速力邵阳学院毕业设计（论文） 18 矩也减少，最后进入正常工作状态。 （ 2）机械特性和调速特性 机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系，由方程式（ ）、（ ）和（ ）可知 Iacp=acpUUr eacpnKr （ ） T=KrIacp=KracpUUr eracpnKKr （ ） 图 机械特性曲线 式 ()等号右边的第一项是常数 (当不计 △ U的变化和电枢反应的影响时 )。 所以，电磁转矩随着转速的减小而线性增加，如图。 当转速为零时，即为起动电磁转矩。 当方程式 ()右边两项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。 实际上，由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变化。 又因为功率晶体管的饱和管压降随着集电极电流的变化而变化，在基极电流不变时。 功率晶 体管的饱和压降和集电极电流之间成正比的关系。 所以，随着转速的减小，电动机的反电势也减小，电枢电流增加， U 增大到一定值以后，增加较快。 所以机械特性曲线在接近堵转 (即转速很低 )时，加快下跌，如图。 如假定外加直流电压一定，减小电机负载，转速升高，逆变器的触发频率也会提高，同时反电势增加，电流减小，电磁转矩也减小。 当电磁转矩和负载转矩平衡时，电机就维持在一个较高的转速下运行。 如果负载不变，提高外加直流电压，则转速升高，逆变器的频率提高，反电势增大，使电流 减小，电磁转矩又呈减小趋势，这样就使电机维持在一个较高的转速下运行。 由此可见，由于直流电动机的自同步性，可通过调节直流电压来实现。 又从方程式 ()可见，改变电源电压，可以很容易地改变输出转矩 (在同一转速下 )或 (在同一负载下 )。 所以，在电子换向线路及其他控制线路保持不变的情况下，直流电动机调速性能很好，可以利用改变电源电压来实现平滑的调速。 这说明直流电动机的运行特性有着良好的控制性能。 直流电动机的转子由磁性材料构成，具有很高的电阻率，可以忽略转子感应电流。 邵阳学院毕业设计（论文） 19 所以，从方程式 ()和式 ()可知，系统 的运动方程可由下列二阶微分方程构成 : wor e f tdiL K u R ( i i ) EdtdwJ T ( ) Tdt            （ ） 式中 i0 — 稳态电流 (A)； u — 控制器要求输出的电压 (V)； wK — 控制量增益 ； R — 电枢电阻 (Ω)； J — 电机转动惯量 (Nms2)；。